輥縫測量儀測量誤差分析及改進

劉 洋，吳 英，魯新義，胡念慈，鐘 毅，李 華，夏江濤

（1武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北 武漢430080；2武鋼股份公司燒結(jié)廠，湖北 武漢430081）

輥縫儀（Strand Condition Monitor）是一種由充電電池供電，計算機控制，用來自動測量連鑄機物理參數(shù)的測量裝置［1］。輥縫儀的測量元件主要包括輥縫測量傳感器、角度儀、輥傳動傳感器和噴水測量傳感器（圖1），能夠?qū)伩p、接弧、輥轉(zhuǎn)動和冷卻水分布情況進行測量。因此，了解輥縫儀的工作原理，有助于找到并解決制約輥縫儀測量準確度的不利因素，從而為扇形段輥縫進行合理、精確、準確的調(diào)節(jié)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

圖1 輥縫測量儀

1 輥縫儀工作原理

1.1 輥縫測量原理

輥縫的測量是通過輥縫測量傳感器來實現(xiàn)的。每一個輥縫測量傳感器是一個安裝在不銹鋼測量頭內(nèi)的密閉單元（圖2）。當傳感器頭被壓下時，傳感器的輸出電壓與位移量成比例地線性變化，一般為0～6V。利用輥縫儀對扇形段開口進行測量時［2］（圖3），安裝在輥縫儀兩側(cè)（即內(nèi)弧面和外弧面）的輥縫測量傳感器在一對夾輥的作用下向內(nèi)收縮，傳感器會根據(jù)其表面壓頭的收縮量形成相應(yīng)的輸出電壓，然后通過計算機將電壓值轉(zhuǎn)換成可以識別的實際輥縫數(shù)值。

圖2 輥縫測量傳感器

圖3 輥縫測量原理

1.2 輥轉(zhuǎn)動情況的測量

輥道的自轉(zhuǎn)與否以及自轉(zhuǎn)的難易程度，是鑒別輥道潤滑情況好壞的一個重要標準，因此對輥道自轉(zhuǎn)情況的測量十分必要。輥縫儀中設(shè)計的輥轉(zhuǎn)動傳感器就是用來檢測連鑄機中夾輥轉(zhuǎn)動的自由程度，因為不可能獲得絕對的測量值，輥轉(zhuǎn)動傳感器的讀數(shù)只能作為輥轉(zhuǎn)動程度的一種指示值。

輥轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的測量原理是通過與連鑄機夾輥接觸測量輥轉(zhuǎn)動的角度來決定的，該角度取決于測量輥與夾輥接觸表面速度差。在實際測量過程中，輥縫儀以恒定速度拉過連鑄機，因而測量輥的表面速度也為此恒定速度（圖4）。當連鑄機的夾輥自由轉(zhuǎn)動，則它們的旋轉(zhuǎn)速度與輥縫儀的運動速度相同，表面速度差為零，測量輥不應(yīng)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)動。當連鑄機夾輥不能自由轉(zhuǎn)動，則其輥道表面速度將為零，輥縫儀表面速度和夾輥表面速度將有速度差，這將引起測量輥轉(zhuǎn)動。測量輥的外圓周上有許多孔，當這些孔在近位開關(guān)下通過時，將產(chǎn)生1和0的電脈沖信號。輥縫儀內(nèi)部計算機將記錄這些脈沖，當測量輥離開被測量的夾輥時，計算機將脈沖總數(shù)儲存起來。這一脈沖總數(shù)將與給定直徑夾輥的最大脈沖數(shù)的理論值對比，對比結(jié)果將以0（在輥縫儀的作用下，夾輥完全自由轉(zhuǎn)動）到100%（在輥縫儀的作用下，夾輥完全滯死）為刻度的圖形給出。

圖4 輥轉(zhuǎn)動測量原理

1.3 二冷水噴水效率的測量

二冷水系統(tǒng)噴水狀況通過噴水測量傳感器來測量。噴水測量傳感器由12V經(jīng)過調(diào)制的電源供電，其內(nèi)部有測量膜，當二冷水噴射在測量膜上時（圖5），測量膜會根據(jù)接收到水量和流速大小，將信號轉(zhuǎn)換成一個0（沒有接收到噴水）到7V（最大噴水）的電壓值（圖6），經(jīng)過信號濾波，將電壓值反饋到模擬卡的輸入端，形成二冷水噴水情況圖。

圖5 二冷水模擬冷卻效果

圖6 輥縫儀反饋二冷水結(jié)果

1.4 外弧輥對中的測量

1.4.1 測量原理 外弧輥對中測量是通過角度儀來實現(xiàn)的。在輥縫儀中，首先將角度測量傳感器安裝在角度測量板上，然后將角度測量板通過彈簧安裝在輥縫儀上（圖7）。在測量過程中，當角度測量板搭在相鄰的兩個夾輥上并處于穩(wěn)定的狀態(tài)時，位于夾輥左右兩側(cè)的角度傳感器分別對相鄰兩個夾輥連線與水平線所成的角度進行測量，而且在一定的時間內(nèi)反復(fù)多次測量。然后，輥縫儀對測得的角度數(shù)據(jù)進行分析處理，確定出一個精確的角度值并儲存在輥縫儀內(nèi)部計算機內(nèi)，供用戶分析比較。

圖7 角度儀及測量板的安裝

1.4.2 外弧輥對中誤差值的計算 在實際測量過程中，角度測量儀只反映兩個相鄰?fù)饣≥佭B線與水平線所成的角度，不能直接反映出某一根外弧輥與該輥期望值的誤差值，所以為了計算某一夾輥與理論值的誤差值，需要分別測量它與相鄰夾輥連線的角度［3］，并通過相應(yīng)算法，得出該外弧輥實際位置與理論值的誤差。其計算依據(jù)如圖8所示：dA＝A1－A2（如果夾輥2的位置偏下，則角度A1將增加，而角度A2將減少，兩個角度的差值用dA來表示）。

圖8 外弧輥對中偏差算法示意圖

dA將與理論的期望角度值r對比。對比后的差值再除以2得到了此夾輥的角度誤差值。然后，利用簡單的三角幾何和從連鑄機設(shè)計數(shù)據(jù)中得到的接觸點的平均輥距、夾輥不對中誤差值計算出誤差值。即：

2 導(dǎo)致輥縫儀測量誤差的因素分析

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，輥縫測量儀對相關(guān)部件和傳感器的整體精度要求很高，任何一個小誤差就會導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。某鋼廠在輥縫儀的實際使用過程中，其測量的準確性一直不太高，為此對輥縫儀測量誤差原因進行了深入分析。

2.1 輥縫測量傳感器觸頭磨損

由于輥縫測量傳感器在測量輥縫的過程中直接與夾輥接觸，雖然其觸頭經(jīng)過淬火等加工工藝處理，表面硬度較高，在長期與夾輥的接觸過程中，容易磨損。特別是當夾輥潤滑情況不良，無法在輥縫儀的作用下自轉(zhuǎn)時，輥縫測量傳感器觸頭的磨損就更為嚴重。當觸頭頂端磨平或磨損時，傳感器就需要伸出更多才能與夾輥接觸，這樣測量的輥縫值就比實際輥縫值要大，從而產(chǎn)生了輥縫測量誤差。

2.2 輥道邊部結(jié)垢嚴重

輥縫儀上沿寬度方向布置有6個輥縫傳感器，用來測量外弧輥對接與水平直線偏離的狀況（圖9），其中最外側(cè)兩個輥縫測量傳感器的距離為2 000 mm，因此輥縫儀可以測量中心2 000mm區(qū)域內(nèi)的外弧輥對接情況。但是在實際工作過程中，由于鑄坯斷面寬度可調(diào)范圍較大（最小為1 700mm，最大為2 150mm），而且最常見的鑄坯斷面為1 900 mm，這樣在澆鑄一段時間后，在夾輥中心1 900mm以外的兩端區(qū)域就會形成水垢，在測量過程中，水垢導(dǎo)致最外側(cè)兩個輥縫測量傳感器實際伸長量減小，進而導(dǎo)致其測量的輥縫值比輥道實際輥縫值要大，造成輥縫測量誤差。此外，水垢分布不均勻也導(dǎo)致外弧板角度測量誤差，進而造成外弧輥對中誤差。

2.3 角度儀安裝彈簧變形

角度測量板是通過彈簧安裝在輥縫儀上（圖7）。當測量夾輥角度時，測量板與夾輥接觸并發(fā)生位移，彈簧拉長，當測量板離開夾輥時，彈簧的回復(fù)力使角度板回復(fù)到平衡位置。在角度儀測量過程中，由于某一根彈簧長期受壓，另一根彈簧長期受拉，久而久之導(dǎo)致測量板的平衡位置與理論位置出現(xiàn)偏差，進而導(dǎo)致角度測量產(chǎn)生偏差。

圖9 分段式夾輥輥縫測量示意圖

3 改進措施

3.1 輥縫測量傳感器觸頭的周期校驗

為了做到輥縫測量傳感器觸頭磨損情況受控，一方面將原來2個月一次的觸頭檢驗周期縮短至2個星期一次，另一方面制定了嚴格的傳感器校驗標準，消除了傳感器的自身誤差：

1）采集傳感器在靜態(tài)（沒有被壓下）下的讀數(shù)，傳送給便攜式計算機；

2）將校驗帽用螺絲釘固定到傳感器的法蘭面上；

3）采集傳感器在此狀態(tài)下的讀數(shù)，傳送給便攜式計算機；

4）將校驗帽翻轉(zhuǎn)過來，在這一狀態(tài)下采集傳感器讀數(shù)；

5）當所有需要校驗的傳感器校驗完畢后，數(shù)據(jù)將自動轉(zhuǎn)送給校驗主屏幕進行顯示和分析；

6）校驗數(shù)據(jù)繪成曲線，有問題的傳感器被標出，重新進行校驗。如果證明傳感器有故障，則需要將其拆下，換上備用的傳感器，并且在備用傳感器安裝前對傳感器進行校驗。

3.2 輥縫測量時間優(yōu)化

為了有效避免因輥道兩端結(jié)垢而導(dǎo)致輥縫和外弧輥對中測量偏差的情況出現(xiàn)，對輥縫測量時間進行了優(yōu)化。即與生產(chǎn)組織人員達成一致，一方面在輥縫測量之前，安排生產(chǎn)最寬規(guī)格鑄坯（2 150 mm），利用鑄坯與輥道之間的摩擦力，消除附著在輥道兩側(cè)的水垢和雜物，使輥道呈現(xiàn)出真實的使用情況；另一方面在輥道測量之前，要求將二冷水流量和壓力調(diào)到最大，并持續(xù)對輥道噴水冷卻30min，這樣既可以對輥道表面的粉塵進行吹掃，又可使輥道冷卻到常溫狀態(tài)下，不僅消除了輥道高溫狀態(tài)下對測量元件的損傷，也避免了熱脹冷縮對輥縫測量結(jié)果的影響。

3.3 角度儀彈簧的優(yōu)化選擇

為了解決彈簧容易變形的問題，將彈簧的材質(zhì)從碳素彈簧鋼制換成了50CrVA，不僅有效提高了角度板彈簧的回復(fù)力，而且該彈簧具有很高的疲勞極限。該彈簧上機使用半年后未出現(xiàn)拉長的情況。除此之外，為了規(guī)范角度儀的安裝，制定了詳細的拆裝步驟和規(guī)范：

1）清除彈簧板保持鍵內(nèi)的固體集聚物；

2）將彈簧壓縮桿插入彈簧板內(nèi)，擰入輥縫儀殼體內(nèi)直至全螺紋接觸；

3）放上彈簧壓縮墊片和螺母；

4）使用扳手防止彈簧壓縮桿轉(zhuǎn)動，交替地將壓縮螺母擰緊，將彈簧壓縮到足夠程度，消除彈簧對彈簧板施加的彈力。應(yīng)至少壓縮1mm的距離；

5）取下彈簧板固定螺絲釘和固定件，取下球型軸蓋板；

6）取下鎖緊墊片，從液壓缸上擰下球型軸，使用液壓扳手來防止液壓缸桿轉(zhuǎn)動；

7）使用扳手防止彈簧壓縮桿轉(zhuǎn)動，交替地將壓縮螺母擰松直至彈簧的彈力完全消失；

8）取下螺母和墊片，但將彈簧壓縮桿留在原處；

9）將彈簧板從彈簧壓縮桿抬出，取下彈簧板組件；

10）取下彈簧和擋杯，清除贓物并用水清洗所有部件。

執(zhí)行完以上操作步驟之后，按相反步驟對彈簧板組件進行安裝。

4 結(jié)論

通過對輥縫儀測量原理的分析，找到制約輥縫儀精確度的主要原因，制定多項針對性強的措施，使輥縫儀測量準確度逐年得到提高：2010年95.31%，2011年97.89%，2012年99.13%。

［1］ 王 覃，刁紅敏.輥縫儀傳感器的設(shè)計原理與應(yīng)用［J］.可編程控制器與工廠自動化（PLC FA），2009（02）：84－86.

［2］ 李鳳喜，李具中，喻承歡.武鋼二煉鋼連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量改善的實踐［J］.鋼鐵，2004，39：306－309.

［3］ 陳 亮，寧 偉，王續(xù)珅，等.韓國產(chǎn)多功能輥縫儀在萊鋼2號板坯連鑄機上的應(yīng)用 ［J］.冶金設(shè)備管理與維修，2010，28（04）：6－8.